Tubi a vuoto e struttura atomica

La struttura atomica come oggi conosciamo ha subito enormi cambiamenti durante il suo percorso che inizia nel 1858,da Heinrich Geissler (1814-1879). Uploaded with ImageShack.us Nel 1831 Michael Faraday scoprì la stretta correlazione tra fenomeni elettrici e magnetici,l'induzione elettomagnetica. Nel 1858 ,un vetraio di origine tedesca,H.Geissler riuscì a saldare in un tubo chiuso, nella quale era stato fatto il vuoto, due elettrodi metallici. Scoprì che collegando ai due elettrodi una differenza di potenzale dell'ordine delle migliaia di volts venivano scaturite scintille luminose,di colore che variava da gas a gas,che collegavano i due elettrodi. Se la parete veniva trattata con solfuro di zinco era possibile evidenziare la proiezione dei raggi,che potevano disegnare la sagoma un una piastra metallica. Fu però William Crookes,nel 1860 che,in seguito a numerosi studi su questi tubi "vacui" ,denominati anche tubi di Geissler,potè stilare un elenco delle proprietà principali dei raggi scaturiti. Crookes aveva scoperto che a bassissime pressioni i lampi venivano sostituiti con raggi uniformi,di riflesso verdastro,che percorrevano l'intero tubo. Questi raggi ,da lui chiamati catodici,poichè proiettati sulla parete opposta al catodo del tubo. Le loro caratteristiche sono: -i raggi catodici sono capaci di mettere in movimento mulinelli a palette di mica,interposti tra i due elettrodi,ciò confermava l'ipotesi di Crookes dell'origine corpuscolare dei raggi; -I corpuscli dei raggi possiedono grande velocità,variabile a seconda della ddp degli elettrodi,essi infatti possono rendere incandescenti corpi metallici (lamine e filamenti) tra loro interposti; -I raggi hanno scarso potere penetrante,in quanto schermati da pareti di vetro; -I raggi hanno carica negativa,in quanto un fascio di raggi viene respinto da una piastra avente carca negativa. Gli studi sui ragi catodici furono proseguiti da Joseph John Thomson,che scoprì che i raggi potevano essere deviati anche da campi magnetici. Thomson nel suo studio,si può intravedere sullo sfondo un tubo di roentgen: Nel 1896 Thomson,che ha portato un enorme contributo alla scoperta della struttura atomica,riuscì a bilanciare la deviazione di un campo elettrico con un campo magnetico,riuscendo così a calcolare il rapporto carica/massa dei singoli corpuscoli. Il dato da lui ricavato: e/m=5,273 . 10^17 u.e.s/g (unità elettrostatiche/grammo) equivalenti a 1,602 . 10^-19 Coulomb. Con il celebre esperimento di Millikan (che consisteva nel misurare la carica negativa acquistata da minuscole goccioline l'olio vaporizzato,in aria rarefatta,ionizzata con raggi X,mediante bilanciamento con campo elettrico) si riuscì a determinare,in base a numerosi calcoli di medie ottenute dall'esperienza,la carica dei corpuscoli che vennero chiamati elettroni. Con un semplice calcolo matematico si potè ricavare la massa delll'elettrone che assunse il valore di 9,109 . 10^-28 grammi. Si conosceva tutto dell'elettrone. Nel 1896 il fisico tedesco Eugen Goldstein ,tramite un particolare catodo forato,osservò che esisteva una luminescenza anche dalla parte del catodo,raggi opposti ai catodici,denominati "anodici" o raggi canale. Essi,di carica positiva,contrastavano la carica negativa degli elettroni. Fu notato però che il rapporto carica massa dei raggi anodici variava a seconda del gas contenuto nel tubo. Il valore più basso però fu trovato con ampolle all'idrogeno. La loro carica fu determinata e risultava opposta a quella degli elettroni. La loro massa risultava 1836 volte maggiore degli elettroni. La ionizzazione che avveniva nei tubi era la seguente: H + Energia ===> H+ + e- Ne + Energia ===> Ne+ + e- Era perciò normale che la massa variassse da gas a gas. La struttura dell'atomo ,che era fino all'epoca quella di Dalton,che immaginava l'atomo come una sfera minuscola ,dimateria compatta e omogenea. Venne ideata un'altra struttura,da Thomson,che pensò ad un atomo come un aggregato di elettroni e protoni. Nel 1895 William Roentgen effettuando studi su tubi di Crookes scoprì l'esistenza dei raggi X. Il suo tubo aveva un anodo di lamina metallica inclinata. Scoprì casualmente che quando il tubo era acceso il suo schermo di esacloroplatinato di bario si illuminava. Blocchi interi di carta fotografica risultavano essere tutti impressionati,bianchi,nonostante sigillati e chiusi nel cassetto. Questi raggi ,di altissimo potere penetrante ,risultavano neutri. Furono denominati raggi X,per via della loro natura incognita. Ora si sa che i raggi X sono scaturiti dall'eccitazione elettronica provocata dal potente urto ad opera dei raggi catodici su atomi metallici. Gli usi di questi raggi erano diversi. Lo scopritore notò che erano capaci di fotografare su lastra l'interno del corpo,facendo intravedere la struttura ossea. Nel 1913 Herny Moseley ,tramite diversi tubi contenenti anodi di diverso metallo,riuscì a tracciare un grafico dell'energia emessa dall'anodo (potenza dei raggi X) e peso atomico del metallo. Le due grandezze dimostravano una linearità direttamente proporzionale,si otteneva una spezzata. Sostituendo il peso atomico con un numero intero,corrispondente alla classificazione di Mendeleev,potè tracciare una retta. Fu così stabilito il numero atomico (Z) degli elementi. Seguirono poi studi sulla radioattività da parte dei coniugi Curie,scoperta delle tre emissioni radioattive. Di notevole importanza fu il contributo di E.Ruthelford,che intuì che la materia è essenzialmente vuota. Questo tramite la sua celebre esperienza della lamina d'oro,colpita da un fascio di raggi alfa. Per lui i raggi alfa erano i più versatili,li definiva dei veri e propri proiettili atomici,dotati di grande velocità e grande massa (He++). Fu con lo spettrometro di massa che vennero identificati i neutroni,e l'esistenza degli isotopi,il calcolo della loro abbondanza. La struttura del modello atomico è stata rivisitata da grandi menti: Ruthelford,Bohr,Zeeman,Sommerfeld ed altri. Va tenuto di conto il ruolo INDISPENSABILE dei tubi a vuoto,che hanno permesso un studio accurato ed un repentino progresso. Questo trattato,considerabile come un riassunto,è frutto della miei studi di Chimica fisica,non è stato copiato da nessun sito,le immagini sono in parte prelevate da internet ed alcune tratte dal libro "Ruthelford,come si scoprì la natura dell'atomo",di Edward N.da Costa Andrade.

Molto interessante! Complimenti! Molto positivo è il fatto che sia tutta farina del tuo sacco! (ultimamente si vedono un po' di copia e incolla )

è molto interessante, solo non ho capito la parte "dell'odio vaporizzato" che azz è?

se volevi scrivere iodio va bene, ma se è proprio odio, allora mah.....

scusami,errore di battitura,l'esperienza di Millikan cosistette nel vaporizzare dell'olio,tramite nebulizzatore.

Le goccioline d'olio venivano liberare in aria rarefatta,che veniva a sua volta esposta all'azione ionizzante dei raggi X,facendo perdere elettroni agli atomi delle melocole dei gas.

Gli elettroni si andavano a depositare sulle goccioline d'olio,che cariche negativamente ,venivano mantenute sollevate tramite un campo elettrico.

Ovviamente le goccioline venivano attratte dal polo positivo,con un microscopio veniva osservato il loro moto.

Quando rimanevano stabili,si misurava la ddp applicata,ottenevano poi un dato che corrispondeva alla carica delle singole goccioline.

Ovviamente il dato ottenuto non era la carica dell'elettrone,poichè le goccioline assorbivano più cariche negative.

In seguito a numerosissime prove e analisi di dati si notò che i valori ottenuti erano tutti multipli di un unico massimo comune divisore,ovvero la carica unitaria di un elettrone.

Fu così,che con l'aiuto della matematica ,si trovò il valore del singolo elettrone,con un'esperienza davvero particolare.

I raggi X Vorrei concludere questa parentesi a riguardo dei Raggi X,prima accennati,che dello spettro sono i miei preferiti. Come già detto i raggi X sono stati scoperti da Wilhelm Conrad Roentgen nel 1895. Questa scoperta ha rivoluzionato il mondo della chimica e della fisica. Roentgen eseguiva nel suo studio esperimenti con tubi a vuoto coperti con della carta nera. Grazie all'oscurità nel suo studio poté rendersi conto del fatto che il suo schermo di platinocianuro di bario si colorava di verde durante il passaggio delle scariche nel tubo di Crookes. Verificò che lo schermo si illuminava anche ad un paio di metri di distanza dallo schermo. Tempo prima il fisico Philip Lenard aveva dimostrato che applicando una lamiera sottilissima di alluminio (in grado di sopportare la depressione) davanti al catodo di un tubo di Crookes spessa pochi decimi di millimetro lasciava passare buona parte dei raggi catodici che però non percorrevano più di pochi centimetri nell'aria. I raggi Roentgen erano raggi diversi. Dei raggi incogniti ,per cui furono chiamati raggi X, in grado di attraversare grandi spessori di sostanze opache,come legno,metalli e la carne. Essi inoltre potevano impressionare le lastre fotografiche ed erano in grado di ionizzare l'aria,motivo per cui corpi carichi elettricamente venivano scaricati se a contatto con aria attraversata da raggi X. Roentgen si rese subito conto della loro importanza in medicina e chirurgia,infatti sulla prima relazione correlò anche una foto della mano di sua moglie in cui si scorgeva l'anello [vedi sopra]. Il fisico Frederick Smith aveva già notato con curiosità che le lastre fotografiche si impressionassero ,ma si era limitato a dire all'assistente di mettere le lastre da qualche altra parte. L'oggetto delle sue ricerche non era l'offuscarsi delle lastre,la cosa non gli interessava! Subito dopo la scoperta dei raggi X essi vennero utilizzati ampiamente in medicina per fare lastre e radiografie,talvolta abusandone: a quei tempi non si sapeva del potere cancerogeno di questi raggi ad alto potere ionizzante. L'abuso di raggi X e di materiali radioattivi fu assai comune almeno fino agli assi 40'. Erano infatti in uso farmaci a base di radio ,acque toniche contenenti radio ,bromuro d radio per la sterilizzazione delle acque,barrette a base di torio e radio da immergere nell'acqua,si vendevano comunemente anche solfuro di polonio e materiali radioattivi. Esistevano catene contenenti radio da portare vicino alla tiroide per guarirla,o nelle tasche davanti per risvegliare la libido. Dopo la morte di Eben Byers nel 1932 ,un famoso magnate dell'industria dell'acciaio,per l'uso si acque toniche al radio vennero attuati controlli sull'effettivo pericolo della radioattività e dei raggi X. L'uso dei Raggi X in medicina venne sviluppato dal medico pioniere John Edwards. Per l'uso prolungato dei raggi X sviluppò una dermatite al braccio ,fu necessaria l'amputazione. L'uso dei raggi X permise anche numerose scoperte,la più importante: il numero atomico ad opera di Moseley. Ruthelford studiò per anni con J.J. Thomson i raggi X e il loro effetto ionizzante sui gas. Al giorno d'oggi sono in uso per tecniche mediche quali Radiografie,Tomografie Assiali Computerizzate . Sono utilizzati anche nella Spettrofotometria a raggi X. Fonti citate: "Ruthelford ,come si scoprì la struttura dell'atomo" E.N.Da Costa Andrade "Uncle W" O.Sacks

Dato che mi sono finalmente laureato, voglio portare il mio modesto contributo al Forum. Visto che non sono proprio un genio in laboratorio ( :esplosivo: ), e non ho molto a disposizione per fare belle sintesi come le vostre, mi voglio occupare di resuscitare la sezione di Chimica Fisica, che sembra un po'morta...

Riprendo quindi questa interessante discussione per presentarvi il modello atomico di Bohr (semplificato). Per seguire i conti è necessario un minimo di conoscenza di fisica (direi livello di quinto superiore) e un po'di pazienza (e speriamo che il sito che ci offre le formule scritte con LaTeX non chiuda...!)

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Il dualismo onda-particella e l'ipotesi di De Broglie

Diversi esperimenti, alla fine dell'800 avevano messo in crisi la meccanica classica, mostrando che le particelle molto piccole, come gli elettroni, si potevano comportare come onde, e viceversa le onde elettromagnetiche a volte si comportavano come fasci di particelle, detti fotoni. Il fisico De Broglie fece l'ipotesi che ad ogni particella fosse associata un'onda, di lunghezza inversamente proporzionale alla quantità di moto:

Nelle particelle di massa piccola, come gli elettroni, la lunghezza d'onda diventa abbastanza grande da poter essere "vista" e misurata, mentre per gli oggetti macroscopici questa è talmente piccola da non essere vista.

h è la costante di Planck, ricavata da esperimenti sull'effetto fotoelettrico.

In quegli anni, il modello atomico accettato era quello planetario di Rutherford, secondo cui gli elettroni si muovevano attorno al nucleo carico positivamente descrivendo delle orbite, come i pianeti attorno al sole. Questo modello non riusciva a spiegare però lo spettro di emissione dell'idrogeno, che emetteva solo a lunghezze d'onda precise, secondo la formula di Rydberg

dove n1 e n2 sono numeri interi

Il fisico Niels Bohr propose allora un modello, basato sull'ipotesi di De Broglie, per spiegare lo spettro a righe dell'idrogeno.

Il modello atomico di Bohr

Questo modello si applica ad un atomo idrogenoide (cioè con un solo elettrone) qualsiasi, come H, He⁺, Li⁺⁺, ecc... con Z si intende il numero atomico.

Consideriamo un elettrone, di carica (-e) in moto circolare uniforme attorno al nucleo di carica Ze.

Le due cariche opposte si attraggono per la legge di Coulomb con una forza pari a

Nel moto circolare uniforme, la forza centripeta vale

La forza attrattiva di Coulomb tra le due cariche dovrà essere uguale alla forza centripeta del moto circolare uniforme:

Ponendo Ze^2/4πε^2 = A e semplificando r

Questa equazione lega il raggio di un orbita circolare uniforme alla velocità. Sono possibili orbite con un qualunque raggio

Ora supponiamo che le orbite debbano essere di lunghezza fissata, in particolare un multiplo della lunghezza d'onda di De Broglie:

e quindi

La costante "h tagliato", uguale a h/2π, è stata introdotta per semplificare il calcolo

mvr è detto "momento angolare", scritto con la lettera L. Il primo risultato del modello di Bohr è che i momenti angolari sono quantizzati.

Ora, combinando le due equazioni

si ottiene che

risostituendo nella seconda equazione:

risostituendo A

Sostituendo i valori numerici si ottiene per a0 un valore di 0.5 Angstrom, detto "raggio di Bohr", o raggio classico dell'elettrone

L'energia totale dell'elettrone si ottiene sommando l'energia cinetica all'energia potenziale

Se sostituiamo v^2 in

otteniamo l'energia di un'orbita circolare uniforme

Ora sostituendo a r il raggio di Bohr trovato prima

L'energia può assumere solo i valori corrispondenti agli n interi, e non qualsiasi valore. Si dice perciò che è "quantizzata". Per l'idrogeno (Z=1), con n=1 si ottiene il valore di -13.6 eV, corrispondente all'energia di ionizzazione dell'atomo di idrogeno.

Il modello di Bohr sapeva spiegare perfettamente anche lo spettro a righe dell'idrogeno: infatti, saltando tra un livello energetico (n1) e un altro (n2), l'elettrone assorbe o emette un'energia pari a

Questo corrisponde alle righe spettrali osservate per l'atomo di idrogeno

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P.S.: tutto quanto qui scritto è frutto dei miei studi di chimica fisica, e non è stato copiato. È anche vero che le formule sono quelle, e quindi possono essere ritrovate in un qualunque libro di fisica delle superiori o universitario, o in un libro di chimica fisica.

I conti li ho fatti personalmente a mano, e sicuramente mi è sfuggito qualche errore. Se lo vedete, lo correggerò subito!